β射线法大气颗粒物监测仪异常尘斑探讨

文/王宜府 潘焕双 余有淑（安徽蓝盾光电子股份有限公司）

β 射线法大气颗粒物监测仪器采样斑点异常可能会影响大气颗粒物浓度的测量值。因此，在仪器运行中发现采样斑点异常的情况，需要及时分析采样斑点产生异常的原因，并予以解决，确保监测仪器运行正常，使得监测数据准确可靠。

一、概述

基于β 射线吸收原理的大气颗粒物监测仪是目前在国内环境监测领域中应用最广的大气颗粒物监测仪器，包括TSP 监测仪、PM10监测仪、PM2.5监测仪等。这类仪器的共同点是利用C14作为放射源释放出β 粒子，先后两次通过同一位置的空白滤纸带及带有尘斑的滤纸带发生的能量衰减量不同，利用滤纸带背后的β 粒子探测器根据先后两次探测的β 射线强度I0及I1反演出大气颗粒物的浓度。

仪器的工作过程是在抽气泵的作用下（恒定流量，一般为16.7L/min），大气颗粒物随同大气进入大气颗粒物切割器，经切割分离后大气颗粒物继续随气流沿管路下行至仪器内部的滤纸带处并吸附在滤纸带上，采样一定时间后大气颗粒物在滤纸带上积累并形成褐色斑点——采样斑点，也就是尘斑。仪器对这个尘斑进行测量并将测量结果换算成等效浓度（大气颗粒物的浓度）显示在仪器界面上，即完成了一个大气中相应粒径的颗粒物浓度的采样与测量周期。随后在驱动电机控制下将已完成测量尘斑移走，换一个空白处继续采样、测量，以此往复进行。仪器通过特定电路与程序实现对传动机构的全程自动控制，使得所有动作均可自动完成。

在理想状态下，每个尘斑的形状应该是非常圆润、饱满的，而在实际运行过程中，会由于各种原因导致尘斑形状出现异常。本文通过实际测量过程中出现的各种异常尘斑性状分析，探讨出现异常的原因和解决措施。

二、异常问题描述

本公司承接国家环境空气监测网城市环境空气自动监测站运行维护项目（含试行、第一轮、第二轮）已经4 年多时间，对各类主流品牌的β 射线法大气颗粒物监测仪在不同地域、不同季节、不同天气条件下的运行状况均有了解和分析，基本做到对所运维的各品牌仪器的采样斑点的状态实时掌握。根据现场运维人员的总结与反馈，采样斑点的异常状态主要分为尘斑拖尾、尘斑毛刺及尘斑缺口三种现象。具体情况如图1 所示。

图1 尘斑异常形状图

三、异常尘斑产生的原因及解决措施

针对上述三种情况的尘斑异常，要结合现场实际逐一进行具体分析并予以解决。

1.尘斑拖尾

这种现象主要出现在仪器入口处的采样管为弯管类的仪器，由于该仪器的滤纸带是夹在上下两个平台之间，下平台为不动的定平台，上平台是通过凸轮和弹簧相互作用可上下移动的动平台。该仪器的一个特点是默认设置为每24h 移动尘斑再换一个采样点，或者是当尘斑负载量达到1500μg 时自动走纸而换一个采样点。因此，当长时间在同一个采样点处进行采样时，在密封的上下平台长时间压力下以及在一定湿度的影响下，采样斑点的圆周滤纸带与上平台处于局部的真空状态，使之产生较强的粘附力。在采样及测量完毕后、移动尘斑前需要使上平台上升，就在上升过程中有时滤纸带没有与上平台分离，接着滤纸带会自动前行，受滤纸带的牵引，尘斑与上平台发生相对位移而产生摩擦，从而使尘斑产生拖尾现象。如图1（a）所示。观测显示，纸带尘斑越厚，拖尾现象越严重。

解决办法是，当遇到重雾霾天气或者连续阴雨天气，湿度大时，将仪器默认设置的每24h 移动尘斑一次设置为每8h 移动尘斑一次。一方面减少了动平台压滤纸带的时间以减小定平台对滤纸带的粘结，另一方面减少了纸带上尘斑的厚度从而减小拖尾程度。实际操作表明，处理后这种现象确实减少很多。

2.尘斑毛刺

尘斑毛刺现象是一种比较常见的异常尘斑，在本公司运维的各类仪器中，无论仪器入口处的采样管是弯管还是直管，都出现过这种情况。通过分析总结，清楚地了解了产生这种现象的原因。入口采样管为弯管类的仪器，通常是由于上下两个平台的接触面不平行，采样时不能很好地与滤纸带接触而密封，从而导致漏气并导致尘斑有毛刺；入口采样管为直管类仪器，则基本是由于采样管端面与定平台面不平行，或者采样管的轴线与定平台平面不垂直导致。无论哪种仪器，采样时滤纸处采样口平面不能与滤纸带完全贴合而密封，都是导致尘斑产生毛刺的重要原因。如图1（b）所示。

解决办法是，对于弯管类仪器，一是要清理干净上、下平台平面上杂物；二是调整导套及压缩弹簧，使上平台能自然升降。这样处理是要确保仪器在采样时使上、下平台平面能平行地压紧滤纸而密封。对于直管内仪器，首先是要检查定平台和直管端口处有没有异物，如有则需清理干净；如无异物，则要松开直管下端锁紧装置，将直管的端面直接与定平台面接触（移开滤纸带）并按紧再重新锁紧即可。

3.尘斑缺口

这种现象分析起来比较简单，通过模拟场景可以清楚地了解产生原因。实验中在采样前预先在采样斑点处放置一个材质不易被干扰的小物件，等采样结束后尘斑就会留下与小物件水平投影形状相似的空白而缺少一部分。通过多次实验，确定产生尘斑缺口的原因是有杂物粘在采样管端口处内壁上，且该杂物随端口一起移动。无论是弯管的还是直管的仪器，都有可能发生这种现象。如图1（c）所示。

解决办法是清理干净端口处采样管内壁的杂物。

四、异常尘斑对颗粒物监测数据的影响

图2 尘斑拖尾与同城市正常尘斑站点颗粒物数据比较趋势图

图3 尘斑毛刺与同城市正常尘斑站点颗粒物数据比较趋势图

图4 尘斑缺口与同城市正常尘斑站点颗粒物数据比较趋势图

上述三种异常情况对测得的数据是否有影响不能单凭主观判断，而应通过与相同时间环境下正常尘斑仪器的数据进行对比才能给出合理的结论。以下数据是本公司在运行维护期间，从发现异常尘斑站点的数据中随机抽出三个类型，本文对其进行分析。

1.数据1：PM2.5 仪器尘斑拖尾现象对监测数据影响情况分析

2019 年2 月24 日检查现场某站点，发现有一台PM2.5仪器尘斑出现拖尾情况，对前后4 日PM2.5数据趋势情况进行分析，发现这台仪器的数据趋势与同城市附近其他站点正常尘斑仪器数据基本一致，并未受到明显影响。这是由于尘班拖尾的形成是在仪器的采样、测量结束后形成的。即仪器移动尘斑时，尘斑与上平台的相对位移而产生摩擦形成拖尾。图2 为含有尘斑拖尾现象与其他正常尘斑的仪器PM2.5数据比较趋势图。

2.数据2：PM2.5仪器尘斑毛刺现象对颗粒物监测数据影响分析

2019 年6 月17 日检查某个站点，发现颗粒物仪器尘斑毛刺现象，对6 月15 日至6 月20 日数据趋势进行分析，发现尘斑毛刺仪器的数据比同城其他正常尘斑仪器监测数据明显偏低。这是由于仪器密封效果不佳引起的，致使在采样抽气时有一部分室内气体在此处参与了采样，而室内PM2.5的浓度肯定要比室外低，由此测量的结果就会低于正常值了。图3 为含有尘斑毛刺现象与其他正常尘斑仪器的PM2.5数据比较趋势图。

3.数据3：PM2.5仪器尘斑缺口现象对监测数据影响情况分析

2019 年1 月18 日现场某站点，发现PM2.5仪器纸带存在尘斑缺口现象，对前4 日和后5 日的PM2.5数据趋势情况进行分析，发现该站点数据趋势与同城市其他正常尘斑仪器数据基本一致，并未受到明显影响。这是因为在整个采样过程中，采样流量没有变化，只是流速发生了忽略不计的变化，尘的收集面积稍微减小，但尘的采集量没有变化，所以对测量结果没有影响。图4 为含有尘斑缺口现象与其他正常尘斑的仪器PM2.5数据比较趋势图。

五、结语

通过对异常尘斑产生原因及对测量结果影响的分析可以看出，并不是所有异常尘斑都会对测量结果造成影响。但在日常运行维护中，无论哪种异常尘斑都应及时处理。应根据不同的现象采取不同的处理办法，及时消除对测量数据有效性的潜在影响。